انواع حذف در آلکیل هالید ها (حذف E1 و حذف E2)

مولکول های آلیکیل هالید می توانند دستخوش واکنش های حذفی شوند؛ به این نحو که یک اتم و یک اتم هالوژن از دو کربن مجاور هم به صورت یک واحد از مولکول خارج شده و یک مولکول آلکن ایجاد می کند.

این واکنش به سه روش می تواند انجام شود. در ادامه به بررسی دقیق این سه روش می پردازیم:

حذف $\large E_{2}$ (حذف همزمان):

در این روش، اتم و اتم هالوژن به طور همزمان (در یک مرحله) از مولکول مادر خارج می شوند. در شکل زیر کلیت واکنش آورده شده است؛ به آن توجه کنید. این واکنش ویژگی هایی دارد:

سرعت واکنش هم به غلظت باز و هم به غلظت سوبسترا بستگی دارد (واکنش از نوع سینتیک مرتبه دوم است).
هر چه مولکول آلکیل هالید شلوغ تر باشد، سرعت واکنش بیشتر است.
این واکنش نوآرایی ندارد؛ چون همه واکنش در یک مرحله انجام می شود.
هر چه باز مورد استفاده قوی تر باشد، واکنش سریع تر اتفاق می افتد.
این واکنش اثر ایزوتوپی بزرگی برای هیدروژن نشان می دهد. اما اثر ایزوتوپی چیست؟ چه کاربردی دارد؟ و چگونه استفاده می شود؟

اثر ایزوتوپی:

فرض کنید یک نوع اسید خاص در یک واکنش استفاده شود. $H^{+}$ موجود در این مولکول با یک سرعت معینی در مواجه با $OH^{-}$ واکنش می دهد و مولکول آب را می سازد. حال اگر $H^{+}$ با $D^{+}$ جایگزین شود چه اتفاقی رخ می دهد؟ یعنی اگر یک اتم با ایزوتوپ سنگین ترش جا به جا شود چه اتفاقی رخ می دهد؟

اول از همه باید بدانید که ایزوتوپ چیست؟ ایزوتوپ ها، اتم های مختلف مربوط به یک عنصر واحد هستند که همه ویژگی هایشان مساوی بوده و صرفا در تعداد نوترون های هسته هایشان تفاوت دارند. مثلا، هیدروژن و دوتریوم، ایزوتوپ های هم هستند. تنها تفاوت شان این است که در هسته هیدروژن یک پروتون وجود دارد و هیچ نوترونی نیست اما در هسته اتم دوتریوم، علاوه بر پروتون، یک نوترون نیز موجود می باشد.

تا آنجایی که ما آموخته ایم، واکنش پذیری یک اتم، صرفا مربوط به الکترون های آن می باشد و هیچ ربطی به هسته اتم ندارد. با این حساب، پس تفاوت بین واکنش پذیری ایزوتوپ های مختلف در چیست؟

بین ایزوتوپ های مختلف یک عنصر در یک واکنش معین، تفاوت کوچکی در رسیدن به حالت گذار وجود دارد. همین تفاوت کوچک باعث ایجاد تفاوت در سرعت واکنش با ایزوتوپ های مختلف می شود. توجه داشته باشید که این تفاوت، صرفا در رسیدن به قله حالت گذار است و هیچ تاثیری بر $\Delta H$ واکنش ندارد.

اثر ایزوتوپی چگونه گزارش می شود؟

برای اینکه بدانیم در یک واکنش اثر ایزوتوپی مشاهده می شود یا نه، باید ابتدا دو نوع واکنش را انجام دهیم. یک واکنش با مولکول عادی و یک واکنش با مولکول حاوی ایزوتوپ سنگین. برای انجام چنین واکنشی نیاز است تا ابتدا مولکولی با ایزوتوپ سنگین بسازیم و همان واکنش قبلی را تکرار کنیم و با روش های سینتیکی مختلف، تفاوت سرعت انجام این دو واکنش را بررسی کنیم.

اگر سرعت انجام واکنش با ایزوتوپ سنگین تر، نسبت به ایزوتوپ سبک تر، بین 5 تا 8 مرتبه باشد، اثر ایزوتوپی تایید می شود. (طبیعتا یک تفاوت در سرعت واکنش بین ایزوتوپ های مختلف وجود دارد اما اینکه این تفاوت چقدر بزرگ باشد مهم است)

حذف $\large E_{1}$ (حذف غیر همزمان):

در این روش حذفی، ابتدا اتم هالوژن خارج می شود و یک کربوکاتیون ایجاد می شود. سپس این کربوکاتیون یک اتم $H^{+}$ از دست می دهد و آلکن ایجاد می شود. با این حساب، این واکنش با سینتیک مرتبه اول انجام می شود. پدیده ای که رخ می دهد به صورت زیر است.

سرعت این واکنش مستقل از غلظت باز بوده و فقط تابعی از غلظت آلکیل هالید است.

اما این چه معنی دارد؟

به مرحله اول این واکنش توجه کنید. در این مرحله بایستی اتم هالوژن به صورت $X^{-}$ خارج شود؛ خروج این اتم به صورت یک یون منفی، خود، واکنشی بسیار سخت است (آهسته است). اما خروج $H^{+}$ بسیار سریع انجام می شود. چرا؟

چون خروج $X^{-}$ بدون هیچ واکنش دهنده دیگری رخ داده و صرفا پدیده ای درون مولکولی است. چنین فرآیندی نیاز به شرایط خاص داشته و به راحتی انجام نخواهد شد. اما خروج $H^{+}$ تحت تاثیر یک عامل بیرونی (مولکول باز) انجام شده و می تواند با سرعت بسیار بیشتری انجام شود.

2. هر چه آلکیل هالید شلوغ تر باشد، سرعت واکنش بیشتر خواهد بود.

3. هرچه باز ضعیف تر باشد، سرعت این نوع واکنش حذفی بیشتر می شود.

4. این نوع واکنش اثر ایزوتوپی نشان نمی دهد. چون شکستن پیوند در مرحله سریع رخ می دهد (از آنجایی که این فرآیند در مرحله آهسته واکنش رخ نمی دهد، سرعت کلی واکنش وابسته به آن نخواهد بود).

5. مهمترین شاخصه این نوع حذف، امکان نوآرایی آن است. از آنجایی که کربوکاتیون ایجاد می شود و هر چه کربوکاتیون نوع بالاتر باشد، پایداری آن بیشتر است بنابراین کربوکاتیون های نوع پایین تر، تمایل دارند تا به کربوکاتیون های نوع بالاتر نوآرایی کنند.

حالا که در این نوع واکنش، شکسته شدن پیوند کربن و هالوژن در مرحله کند واکنش رخ می دهد، بنابراین یک اثر قوی در تعویض هالوژن مشاهده می شود. به این نحو که واکنش با هالوژن بزرگ تر خیلی راحت تر از هالوژن کوچکتر انجام می شود.

یعنی برای سرعت این واکنش ها، اثر عنصری به صورت زیر داریم:

$\large R-I>R-Br>R-Cl>R-F$